DK165349B - Lineaer motor - Google Patents

Description

i

DK 165349B

Opfindelsen omhandler en lineær motor af den i krav l's indledning angivne art, som er kendt fra beskrivelsen til USA-patent nr. 2 640 955, der er en videreudvikling af den fra beskrivelsen til USA-patent nr. 2 483 895 be-5 skrevne motor med variabel reluktans.

Den lineære motor anvender spoler på såvel ankeret som statoren og er især beregnet til udøvelse af reciproke-rende stødkræfter, især i forbindelse med elevatordøre.

10

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe en lineær motor af den indledningsvis angivne art, der kan yde et større aksialtryk og en høj positionsnøjagtighed af ankeret under hele dettes bevægelsesforløb.

15

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en motorkonstruktion af den i krav 1' s kendetegnende del angivne art.

Ved at anvende permamagneter som den ene polsekvens og 20 anbringe disse i en indbyrdes afstand svarende til deres længde og som nærmere angivet i forhold til spolerne opnås en overraskende linearitet af det udviklede aksialtryk, dvs., at dette ikke varierer væsentligt under ankerets bevægelse i forhold til statoren, eksempelvis under 25 15%. Motoren ifølge opfindelsen er således velegnet til at drive trykkemekanismen i en hurtigskriver langs dennes valse.

Ved den i krav 16 angivne motorkonstruktion opnås, at de 30 mod hinanden vendende ensartede poler ombøjer kraft linierne i radial retning mod spolerne og derved forøger aksialtrykket yderligere 3-4 gange.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med 35 tegningen, hvor *

DK 165349 B

2 fig. la, lb, lc og ld er skematiske afbildninger af komponenterne af to udførelsesformer for den lineare motor ifølge opfindelsen, 5 fig. 2 er en delvis gennemskåret perspektivisk afbildning af en del af motoren, fig. 3 er et sekvensdiagram, der viser progressive magnetiseringsmønstre inde i motoren, 10 fig. 4 viser viklingsmøristeret og en ændret udførelsesform for den lineare motor, og fig. 5 er et blokdiagram, der viser et styreorgan for mo-15 toren.

Fig. la viser den første udførelsesform for den lineare motor 10 ifølge opfindelsen. Motoren består af tre indbyrdes koaksiale hovedpartier. Det inderste parti, stato-20 ren, er et ikke-magnetisk rør 11, i hvilket der er anbragt permamagneter 12, indbyrdes adskilt af ikke-magne-tiske blokke 13 med samme længde som magneterne (herefter kaldet enhedslængden). Magneterne 12 ligger i en NSNS... rækkefølge. Det midterste parti er en forskydelig ring 25 14, på hvilken der er opviklet to spoler 15 og 16, og som tilsammen danner motorens anker. Spolerne 15 og 16, og har hver især i det væsentlige enhedslængden, men er adskilt ved kun den halve poldeling. Omkring røret 11 og ringen 14 er der et yderligere ferromagnetisk rør 17.

30 Fluxen fra polerne af hver magnet stråler radialt udad til røret. 17 til komplettering af en række magnetiske kredse, se fig. lc. Det bemærkes, at i en udførelsesform kan blokkene 13 og spolerne 15 og 16 være lidt længere end magneterne til at optimere det interaktive flux-35 mønster.

DK 165349 B

3

Som vist på fig. la er der til den glideforskydelige ring 14 fastgjort en lyskilde/fotocelle-opbygning 18, som går igennem et fastsiddende gradnet 19 i motorens længderetning. Udgangen fra fotocellen anvendes til at detektere 5 stillingen af spolerne i forhold til statoren, som nærmere forklaret nedenfor.

Fig. Id viser en anden og vigtig udførelsesform for den lineare motor 20 ifølge opfindelsen. I denne udførelses-10 form er permamagneterne opstillet i en NSSNNSSN... rækkefølge og er også her jævnt fordelt. Spolerne 15 og 16 er imidlertid her adskilt med to længdeenheder i modsætning til den i udførelsesformen la anvendte halve længdeenhed.

Denne udførelsesform for motoren beskrives nærmere neden-15 for.

Fig. 2 viser en perspektivisk afbildning af motoren 20 på fig. la og lb. Det yderste rør 17 er bortskåret for at blotlægge røret 11, den glideforskydelige ring 14 og spo-20 lerne 15 og 16. Det forstås, at der ikke på fig. la er angivet, hvorledes bevægelsen af ankeret kan overføres til en drevet komponent. I praksis er der tilvejebragt en langsgående spalte 21 langs røret 17, og et periskoplegeme 22, fastgjort til ringen 14, rager igennem spalten til 25 at påtrykke en trykkraft. Legemet 22 fører også energiledninger til spolerne fra en udvendig strømkilde.

Fig. 3 viser statorens permamagneter i form af stænger 23, 24, 25 og 26 samt de to spoler 15 og 16.

30 På fig. 3i er spolerne 15 og 16 i en stabil tilstand og spolen 15 aktiveret. Nordpolen N og Sydpolen S af spolen 15 tiltrækker henholdsvis sydpolen S og nordpolen N af permamagneten 23. For at opnå den første bevægelse gøres 35 spolen 15 strømløs, og spolen 16 aktiveres til frembringelse af nord- og sydpoler. Dette frastøder henholdsvis nordpolen og sydpolen af magneterne 23 og 24, men til-

DK 165349 B

4 trækker sydpolen og nordpolen af magneten 24. Derfor bevæger ankeret sig imod højre som vist på fig. 3i. Derefter gøres spolen 16 strømløs, men spolen 15 aktiveres igen, denne gang til at frembringe sydpoler og nordpoler.

5 Dette frastøder henholdsvis sydpolen og nordpolen af magneten 23, men tiltrækker henholdsvis nordpolen og sydpolen af magneterne 23 og 24. Derfor bevæges ankeret igen imod højre, og spolen 15 skræver over afstandsgabet imellem magneterne 23 og 24, se fig. 3iii. Derefter aktiveres 10 spolen 16 til dannelse af en sydpol og en nordpol, som på lignende måde bevirker en højregående bevægelse af ankeret til den på fig. 3iv viste stilling. Endelig aktiveres spolen 15 til dannelse af en nordpol og en sydpol til at bevirke en højregående bevægelse af ankeret til den på 15 fig. 3v viste stilling, og en cyklus er afsluttet. Af denne beskrivelse forstås det, at aktiveringen af en af spolerne bevirker en bevægelse både som følge af tiltrækningen imod det ene sæt poler og som følge af frastødnin- . gen af det andet sæt poler. En ombytning af polariteterne 20 i den ovennævnte sekvens, startende med spolen 16, bevirker en venstregående bevægelse af ankeret.

Fig. 3vi-3x viser en anden operationsform, hvor sekvensen af de af spolerne frembragte magnetfelter bevirker en 25 højregående bevægelse af ankeret. I denne sekvens aktiveres begge spolerne i hvert øjeblik med det resultat, at de stabile positioner af spoleparrene forskydes i forhold til permamagneterne af statoren som vist. I denne arbejdsform trinforskydes spolerne igen imod højre, men 30 der drages fordel af den af begge spolerne frembragte flux til at forøge den virksomme trykkraft.

I en yderligere arbejdsform kan trinforskydningssekvenserne på fig. 3i-3iv kombineres med den fra figurerne 35 3vi-3x til at dublere antallet af mellemliggende stabile positioner for en given vandring af ankeret.

DK 165349B

5

Den fra ankeret afgivne trykkraft kan forøges ved, at der tilføjes et ekstra spolepar 29 og 30 som vist ved kort-streglinier på fig. 3i. Spolen 29 er forbundet med spolen 15, men tilvejebringer en flux af den modsatte polaritet, 5 og spolen 30 er tilsvarende forbundet med spolen 16. Ved dette arrangement optimeres den fra spolerne for en given længde af armaturet tilgængelige trykkraftsstørrelse. I et yderligere, ikke vist arrangement er spolerne 15, 16, 29 og 30 hver adskilt med en kvart poldeling til at for-10 bedre lineariteten af trykkraften. Magnetiseringssekvensen af spolerne med denne afstand styres hensigtsmæssigt på samme måde som de ovenfor beskrevne sekvenser til at opnå en bevægelse af de fire spoler i en ønsket retning.

Det bemærkes, at når der kun kræves en trinforskydnings-15 bevægelse i modsætning til en fritløbende vandring, kræves der ingen positionsaftastning til at bestemme den passende aktivering af spolerne, idet anker/stator-pol-konfigurationerne tilvejebringer et antal stabile stillinger, og en trykkraft til at bevirke en relativ bevæ-20 gelse til og fra disse stabile positioner kan opnås ved en passende aktivering af en eller flere af ankerspolerne på grundlag af en antaget position af disse.

Funktionen af den på fig. Id viste udførelsesform for den 25 lineare motor 20 beskrives nu nærmere i forbindelse med fig. 3xi-3xv. Spolerne er vist i en stabil stilling på fig. 3xi med spolen 15 aktiveret med en nordpol og en sydpol i retning mod højre, og derefter spolen 16 aktiveret med en nordpol og en sydpol. Virkningen af denne mag-30 netiske konfiguration er, at der frembringes en bevægelse af spolerne med en hel længdeenhed imod højre som vist på fig. 3xii. Derefter aktiveres spolen 15 med en sydpol og en nordpol til at bevirke en bevægelse af spolen, igen med en længdeenhed, til den på fig. 3xiii viste stilling.

35 Derefter aktiveres spolen 16 med en sydpol og en nordpol, hvilket bevirker en yderligere højregående bevægelse af spolen som vist på fig. 3xiv. Endelig aktiveres spolen 15

DK 165349 B

6 igen med en nordpol og en sydpol, se fig. 3xv. Dermed er arbejdscyklen tilendebragt. Da spolerne her er afstandsforskudt fra hinanden med et helt antal længdeenheder, opnås en væsentlig forbedring.

5

Virkningen af hver af spolerne 15 og 16 kan komplementeres ved en omvendt forbundet spole med en afstand fra den første spole på en længdeenhed, som vist på fig. 4a. I dette udførelseseksempel er spolen 15' elektrisk forbun-10 det med spolen 15 og spolen 16' med spolen 16 på en sådan måde, at de hver især frembringer et felt med den modsatte beliggenhed af partneren selv. I dette arrangement kan hele rummet langs en given længde af ankeret fyldes med spoler til at optimere den tilgængelige trykkraft meget 15 stærkt. Den på fig. 4 viste figuration af· magnetpoler, hvor ens benævnte poler ligger ud for hinanden, forøger væsentligt den af spolerne overskårne flux og gør det nødvendigt at anbringe en magnetisk skærm som på fig. 2. Fremgangsmåden til forbindelse af spolerne og disses af-20 stand som beskrevet tilvejebringer en forbindelsesfaktor svarende til enhedslængden. Kombination af disse faktorer kan gøre en motor væsentlig kraftigere, end når magneterne ligger i en NSNS... rækkefølge.

25 Det forstås, at konstruktion af motorer af den ovenfor beskrevne type er simpel og økonomisk. Ankeret fremstilles ved, at to eller flere spoler vikles på et simpelt formgivningsorgan, der kan udgøre rotorens leje. Den af spolerne frembragte flux skærer direkte den af permamag-30 neterne frembragte flux. Kostbare og omfangsrige tandlaminater kan undgås til dannelse af et særligt let anker med en tilsvarende stor reaktionshastighed. Statoren kan fremstilles på simpel måde ved, at der indsættes perma-magneter i et rør, holdt i afstand af blokke af et pas-35 sende materiale, eksempelvis træ eller formstof. For motoren på fig. la-lc indskydes motorens yderste rør 17, der udgør en effektiv del af motorens stator, over magne-

DK 165349 B

7 terne og spolen og holdes i stilling ved koaksiale monte-ringsplader ved hver ende af motoren. For motoren på fig.

Id kræver det fra magneterne udstrålende fluxmønster en skærm. Om ønsket kan permamagneterne bestå af sjældne 5 jordarter, eksempelvis af samarium-cobalt, når der kræves meget store trykkræfter til en speciel anvendelse, og spolerne kan da afkøles ved, at der blæses luft ned igennem et rørformet afstandsgab i motoren.

10 Fig. 4b viser en udførelsesform for den lineare motor, hvor motorens stator 11 omfatter spoler 15 og 16 inde i et rør, og hvor ankeret omfatter to ringformede magneter 12a og 12b uden om ankeret. Denne konfiguration kan anvendes, når man ønsker at påtrykke ankeret en bevægelse 15 uden forbindelser til dette. I en ændret udførelsesform kan magneterne her ligge inde i og bevæge sig langs et rør, der omgiver spolerne koaksialt med disse.

I udførelsesformerne på fig. 1 er statorens (og ankerets) 20 poldeling konstant i længderetningen, dvs. afstanden imellem polerne i længderetningen, både for polerne af den samme magnet eller hosliggende poler af nabomagneter.

I andre udførelsesformer kan poldelingen variere langs motoren, eksempelvis ved, at afstanden imellem nabosta-25 tormagneter eller spoler afviger fra deres længde. I sådanne tilfælde skal poldelingen betragtes som længden af en gentagelsesenhed af statorpolmønsteret, og det er denne længde, der skal afvige fra ankerets poldeling, der på samme måde kan være konstant i længderetningen eller va-30 riere på samme måde som for statoren.

Ved visse anvendelser er det ønskeligt at styre bevægelsen af ankeret nøjagtigt og at opnå acceleration og retardation ifølge forud fastlagte parametre. En særlig 35 fremgangsmåde til styring af motoren beskrives nu i forbindelse med fig. 5.

DK 165349 B

8

Et gradnet 19 strækker sig langs med motoren. En lyskilde/ fotocelle-opbygning til aftastning af graderinger i gradnettet er vist skematisk ved 18. Opbygningen er fastgjort til motorens anker 14.

5

Til styring af de strømme, som tilføres motorens spoler, anvendes udgangssignalet fra fotocellen til at tidsprogrammere to cykliske tællere 31 og 32 over en eller flere kredse 33. Udgangssignalerne fra tællerne er ude af fase 10 indbyrdes til at stille og tilbagestille retnings-flip-flop-kredse 34 og 35 i overensstemmelse med den tidligere beskrevne magnetiseringssekvens. Udgangssignalerne fra kredsene 34 og 35 føder en summations- og kontaktkreds 36, som også fødes fra en retnings indikator 37. Kontakt-15 kredsen 36 frembringer to udgangssignaler, der styrer retningen og amplituden af de strømme, som føres til motorens spoler. De i cellerne 31 og 32 oplagrede værdier føres også til to digital/analog-omsættere henholdsvis 38 og 39, hvis udgangssignaler også føres til kontaktkredsen 20 36. Endvidere føres et signal repræsenterende en accele- rations/retardations-komposant 40 til de to omsættere 38 og 39.

Kredsen på fig. 5 virker på følgende måde: 25 Når der foretages simple omskiftninger af strømmene til motorens spoler, reagerer motoren ujævnt, men tilfredsstillende til nogle anvendelser. For at forbedre trykkraftslineariteten ændrer digital/analog-omsætterne am-30 plituden af strømmene til spolerne i overensstemmelse med deres stilling ved en passende modulation af udgangssignalet fra summationskredsen 36, så at nettotrykkraften under den relative bevægelse af ankeret og statoren er i det væsentlige uafhængig af disses indbyrdes stilling.

35 Udgangssignalerne fra flip-flop-kredsene 34 og 35 styrer retningen af den strøm, som kontaktkredsen 36 leverer til de to spoler, men den afhænger endvidere af retningsindi- DK 165349 Μ 9 katoren 37. Svarende til en ønsket vandring regulerer ac-celerations/retardationskomposanten 40 endvidere udgangssignalet fra omsætterne 38 og 39. Denne komposant kan gives prioritet over for udgangssignalerne fra tællerne 5 som påkrævet for enhver ønsket særskilt forskydning. Tællerne 31 og 32 kan sættes i omløb, når der først påtrykkes effekt til motoren for at opnå bevægelse, og tællerne tilbagestilles af en tidsimpuls 41 fra en endestopindikator beliggende på gradnettet 19 ved et kontaktsted af den 10 magnetiske rækkefølge. En kendt genindstillingsværdi for tællerne kan opnås ved, at begge spolerne aktiveres samtidigt, for at en stabil position kan antages tilvejebragt derved. Herved etableres der en styring af retningen, lineariteten af trykkraften og accelerationen. Spo-15 lerne kan naturligvis også aktiveres fra en strømkilde i stedet for en spændingskilde.

I stedet for at foretage kommuteringen som beskrevet ovenfor på grundlag af den aftastede relative stilling af 20 statoren og ankeret kan det, når der kun kræves en trinforskydningsfunktion, være tilstrækkeligt som tidligere forklaret at kommutere spolestrømmene på grundlag af den antagne eller beregnede relative stilling.

25 Til anvendelser, hvor man ønsker at opnå store trykkræfter, der også er i det væsentlige jævnt fordelt langs motoren, uanset den relative stilling af ankeret, kan der anvendes flere spoler, som hver.især adskilles ved varierende mellemrum, for at aktiveringen af passende par til-30 vejebringer tæt på hinanden følgende trykkræfter fra spolerne, der således tilvejebringer en mere lineær reaktion.

35

Claims (16)

1. Lineær motor, omfattende et anker (14, 15, 15', 16, 5 16', 29, 30) og en stator (12, 12a, 12b, 13), der kan be væge sig i forhold til hinanden langs motorens længdeakse og hver især har et antal med længdeakse koaksiale generatorer (12, 12a, 12b, 13, 15, 15', 16, 16', 29, 30) for magnetiske, kraftliniestrømme, som hver især i retning af 10 længdeaksen tilvejebringer en respektiv rækkefølge af nordpoler og sydpoler med hver sin poldeling, nemlig en forholdsvis lang, over det ønskede indbyrdes bevægelsesområde for ankeret og statoren spændende rækkefølge og en forholdsvis kort rækkefølge, og hvor generatorerne (15, 15 15', 16, 16', 29, 30) for den ene rækkefølge har mindst to af hinanden uafhængigt aktiverbare spoler til frembringelse af kraftliniestrømmene, samt et organ (18, 19, 31-41) til aktivering af spolerne, kendetegnet ved, at generatorerne (12, 12a, 12b, 13) for den anden 20 rækkefølge er aksialt fordelte permamagneter med mellemliggende afstandsgab, og at poldelingerne for statoren og ankeret afviger således fra hinanden, at når den ene spole (15, 15', 16, 16', 29, 30) dækker en permamagnet (12, 12a, 12b, 13), vil en uafhængigt aktiverbar spole dække 25 afstandsgabet mellem et hosliggende permamagnetpar (12, 12a, 12b, 13) i den anden rækkefølge, og omvendt således, at forskellen mellem poldelingerne for ankeret og for statoren ved en passende aktivering af spolerne ved hjælp af aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) under drift vil 30 tilvejebringe et netto-aksialtryk på ankeret i forhold til statoren i en ønsket retning på ethvert sted inden for det ønskede indbyrdes bevægelsesområde for ankeret og statoren.

2. Motor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) er indrettet til at aktivere spolerne (15, 15', 16, 16', 29, 30) på en sådan DK 165349 B måde, at der etableres et antal stabile positioner i længderetningen således, at motoren kan fungere som en trinmotor.

3. Motor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at statoren omfatter et antal i det væsentlige koak-siale og indbyrdes jævnt fordelte permamagneter (12, 12a, 12b, 13), og at ankeret omfatter to eller flere spoler (15, 15', 16, 16', 29, 30) koaksialt omgivende magneterne 10 og med en indbyrdes afstand forskellig fra magneternes afstand.

4. Motor ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der er anbragt en ferromagnetisk skærm (17) omkring spo- 15 lerne og magneterne til at tilvejebringe et rørformet afstandsgab, langs hvilket spolerne kan bevæge sig.

5. Motor ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) omfatter en positions- 20 detektor (18, 19, 31, 32, 33) til at aftaste den relative stilling af ankeret og statoren, og at aktiveringsorganet er indrettet til at reagere på udgangssignalet fra positionsdetektoren til at aktivere spolerne således, at der tilvejebringes en ønsket indbyrdes bevægelse af ankeret 25 og statoren.

6. Motor ifølge krav 5, kendetegnet ved, at en styrekreds (18, 19, 31-41) til styring i et lukket kredsløb af den indbyrdes hastighed og/eller position af anke- 30 ret og statoren, hvilken styrekreds omfatter aktiveringsorganet .

7. Motor ifølge krav 6, kendetegnet ved, at styringen i det lukkede kredsløb af hastigheden eller po- 35 sitionen tilvejebringes ved tilbagekobling fra positions detektoren. DK 165349 B

8. Motor ifølge krav 5-7, kendetegnet ved, at positionsdetektoren omfatter et optisk gradnet (18) på enten ankeret eller statoren og mindst ét lysfølsomt element (19) på den anden af de nævnte motorkomponenter. 5

9. Motor ifølge krav 5-8, kendetegnet ved, at der under drift anvendes et vægtningskredsløb til at påtrykke en vægtningsfaktor udledt fra udgangssignalet af positionsdetektoren på spolestrømmen eller spolestrømmene 10 til at forbedre lineariteten af aksialtrykket på ankeret.

10. Motor ifølge krav 1-9, kendetegnet ved, at aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) er indrettet til at styre aktiveringen af spolerne således, at der opnås et 15 Ønsket kurveprofil af aksialtrykket som funktion af positionen eller tiden. /'

11. Motor ifølge krav 1-10, kendetegnet ved, at aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) er indrettet til at 20 aktivere spolerne med jævnstrøm, som under drift styres ad elektronisk eller elektromekanisk vej under ændringen af ankerets og statorens indbyrdes stilling til at opretholde den ønskede retning af aksialtrykket.

12. Motor ifølge krav 10 og 11, kendetegnet ved, at aktiveringsorganet (18, 19, 31-41) er indrettet til at påtrykke impulser til spolerne med en passende varighed og med en således moduleret impulshastighed og/eller impulsamplitude, og at tilvejebringes en ønsket 30 aksialtrykskarakteristik.

13. Motor ifølge krav 1-12, kendetegnet ved, at enten statoren eller ankeret har spoler til at tilvejebringe magnetpolerne, og at den anden af de først-35 nævnte motorkomponenter har permamagneter til at tilveje bringe polerne, hvilke permamagneter er anbragt i en NS.SN.NS... rækkefølge. LIIV 100^49 D

14. Motor Ifølge krav 13, kendetegnet ved, at permamagneterne (12, 12a, 12b, 13) er indbyrdes adskilt i motorens længderetning ved afstande i det væsentlige lig med deres poldeling, og at spolerne er anbragt i to sæt, 5 hvis spoler alternerer i længderetningen, og hvor delingen for to hosliggende spoler er i det væsentlige lig med poldelingen for permamagneterne.

15. Motor ifølge krav 1-12, kendetegnet ved, 10 at ankeret til frembringelse af sine poler har to sæt spoler (15, 15'; 16, 16')/ og at spolerne i de to sæt har i det væsentlige samme længde og er opstillet alternerende i motorens længderetning, hvorhos spolerne i forskellige sæt er indbyrdes adskilt med i det væsentlige en 15 halv poldeling af statoren.

16. Lineær motor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at permamagneterne (12, 12a, 12b, 13) er anbragt i en NS.SN.NS... rækkefølge og i motorens længderetning 20 indbyrdes adskilt ved afstande i det væsentlige lig med deres poldeling og med spolerne i de to sæt alternerende i længderetningen, hvor delingen for to hosliggende spoler er i det væsentlige lig med poldelingen for permamagneterne . 25 30 35